浅埋暗挖法穿越砂卵石无水地层施工技术

曹根芝

中铁十六局集团物资贸易有限公司

1 工程概况及地质水文情况

1.1 工程概况

本文中所分析的工程为十三陵景区站-昌平站区间（中间风井-昌平站区间），区间起讫里程为右K3+285.990~右K4+619.330，区间右线长度1333.34m，最小平面曲线半径R=650m，区间最小线间距为12m。风井-昌平站区间纵向为单坡，坡度最大为24‰，结构覆土约10m~18m。施工采用浅埋暗挖法，初支采用喷射混凝土+钢拱架体系，结构断面为马蹄形，并采用台阶法施工，台阶长度0.5m。

1.2 地质情况

（1）根据勘探资料及试验结果，本工程土层分为人工堆积层、第四纪全新世冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层、侏罗纪四大类。根据力学性质和地层岩性又将其分为11个大层，其中占比较大的为含砾石的卵石⑤层、卵石⑦层。砾石成分主要为辉绿岩、花岗岩，随机分布性强，最大粒径约380mm。

（2）加固段覆土为砂卵石地层，结构上方有2m~2.6m的卵石⑤层、卵石⑦层，3m~6m的③4中粗砂层，3m左右的杂填土。

1.3 水文情况

区间地层为黏性土与砂卵石互层，黏性土隔水层逐渐变厚。在深度45m范围内主要赋存三层地下水，该段区间地下水位于隧道仰拱以下约5m，区间开挖过程中无地下水。现场地质水文如图1所示。

图1 现场地质水文照片

2 施工难点分析

砂卵石地层无胶结、结构松散、颗粒空隙大、无黏聚力属于力学不稳定层，颗粒之间的传力方式为点对点，围岩体整体强度较低，但单个石块强度高，在地层中起骨架作用，施工不利影响如下。

（1）隧道覆土为卵砾石，自稳性差，开挖过程中无法形成自然力拱，容易塌落。

（2）由于卵石粒径较大，超前小导管成孔率低，注浆效果很差，而且在砂卵石地层中，注浆管成孔一般是在喷射混凝土之后才将超前小导管按一定角度打入地层中，此过程会对即将开挖的地层围岩进行扰动，破坏地层自身稳定性。

（3）砂卵石限制导管搭设深度，导致注浆成拱困难，开挖容易塌落砂石，很难保证土体稳定。

（4）开挖过程中的扰动可能对区间沿线建筑物、构筑物产生影响。由于隧道上方西关环岛为主干道，故施工过程须严格控制拱顶沉降、地表沉降、桥桩下沉和倾斜。

3 针对难点采取相应措施

综上所述，在砂卵石地层中采取传统超前注浆效果不佳，因此可以从两方面来考虑对砂卵石地层进行注浆加固，一是优化调整超前小导管设计参数，二是采取深孔注浆。

3.1 优化超前小导管设计参数

（1）超前小导管直径的选择。由于地层卵石粒径大且松散，部分卵石超过50cm，小导管成孔率低，且容易扰动原状土体致使地层更加不稳定，故采用小直径、短导管。本案例中小导管管径为25mm，管长为2.0m，环向间距为300mm。小导管采用逐榀打设，外插角及仰角打设角度为10°~15°。在小导管中间部位梅花形布置溢浆孔，孔间距15cm、孔径Φ6~8mm，为防止漏浆，导管尾部0.5m范围内不设溢浆孔，为防止端部开裂，在导管末端焊接φ6的环形箍筋。图2为超前小导管加工示意图。

图2 超前小导管加工示意图

（2）注浆材料和浆液配比。地层采用水泥-水玻璃双液浆；注浆量计算如下式：

式中：

R——浆液扩散半径，m取0.3；

L——注浆管有效长度，m；

α——地层孔隙率，取值参照现场试验、地质勘探报告确定；

β——孔隙填充系数，取值参照现场试验、地质勘探报告确定；

K——液消耗系数，一般可取1.35。

（3）注浆压力取100kPa，终孔压力取200kPa~300kPa，注浆压力不大于300kPa。

3.2 深孔注浆措施

3.2.1 深孔注浆工艺原理

借鉴类似工程的成功经验，选取二重管A、B（C）无收缩双液WSS工法注浆加固。

（1）在不同的地质情况下，二重管无收缩WSS工法注浆工艺均能将土体填充密实，改变原土体的密度、提高抗压强度，从而改变其物理性质。针对此工程案例，一个区域的注浆须连续不间断进行直至完成，从而达到最佳加固效果。

（2）一次注浆液（瞬结性）和二次注浆液（浸透性）的配合比，依据现场地层试验确定，对各种地层均能起到加固及止水作用。

（3）二次注浆液（浸透性）具有低黏性、凝胶时间长的特点，可采取喷射方式至均匀土质颗粒之间，从而减少了对周围建、构筑物的影响。

深孔注浆施工流程：测放孔位→钻机就位→钻孔→浆液配合比确定→注浆→回抽一节→地表沉降观测→注浆结束→移至新孔位。

3.2.2 加固处理施工方案

（1）注浆加固范围及布孔。对结构线外2m范围进行加固，如图3所示。

图3 注浆加固范围及孔位布置示意图（单位：mm）

（2）深孔注浆加固地层。将区间每12m划分一个区段，分区段逐一进行深孔注浆加固。并采取注浆—开挖—再注浆—再开挖的施工方法，具体步骤如下：①采取深孔注浆对区间上台阶土体进行加固，当注浆深度达到该设计要求后方可停止；②待浆液强度达到设计要求后开挖上台阶，并及时进行初期支护，至注浆加固最深处2m停止开挖。

3.2.3 钻孔、注浆

（1）施作止浆墙。止浆墙采用挂网喷射混凝土形式，喷射前将导向管按照设计位置、角度进行布设，待混凝土凝固后方可进行注浆加固。

（2）安插导向管。导向管用钢管，长2m、直径75mm、管壁厚3.5mm。其中一端伸入掌子面1.9m，另一端外露0.1m并套丝。

（3）钻孔。将B型深孔钻机插入导向管进行钻进，钻孔直径42mm。

（4）钻孔施工时每钻进1m注浆加固一次（钻孔深度可根据现场钻进情况进行适当调整），钻孔、注浆两个施工工序循环往复至孔深加固达到设计值。

（5）注浆参数。注浆扩散半径为0.6m~0.8m；水泥浆水灰比为0.5~2.0，水波璃浓度为20~25波镁度，水玻璃与水泥浆的体积比为1∶3；注浆压力为0.3MPa~0.5MPa，注浆速率为60L/min~70L/min。安装注浆泵站等设备。注浆前应先检查管路并进行水压试验，选取注浆终压为试验压力，试验前关闭阀门，如果发现存在泄漏情况应及时修理，保证正式注浆的安全性和稳定性。水压试验合格后正式注浆。

（6）注浆浆液配置及注浆。首先将硫酸（浓度98%）进行稀释（稀释倍数为15倍），然后按1∶1的体积比将水玻璃和稀释好的硫酸进行掺和，水灰比0.5∶1，一根注浆管压入水泥浆，另一根注浆管压入硫酸与水玻璃的混合液。根据实际地质情况（砂及卵石层）调整好双液浆的配比，以达到注浆压力控制要求。浆液流量从中流量开始逐步降低，注浆压力从低压开始逐步升高直至注浆终压，并保持压注5min，注浆即可结束。注浆过程中采用注浆量值和注浆压力值对注浆效果进行“双控”。当注浆量较大、注浆压力较小时可提高水泥浆液浓度，并持续加压至设计要求值，实际注浆情况可依据现场注浆效果进行调节[2]。

（7）技术要点。①导向钢管的位置及外插角度应严格按要求布设，以保证钻孔位置的准确性；②注浆前在连续墙处喷浆50cm作为止浆墙封闭工作面以防漏浆；③为保证注浆效果，避免注浆穿孔，相邻孔位注浆应间隔进行或跳孔施工。

4 结束语

浅埋暗挖法穿越砂卵石无水地层的关键是对地层的加固，本案例中根据现场监控量测的结果，实施超前注浆的同时采取优化超前小导管参数和深孔注浆的方式，对砂卵石地层进行加固，从而保证地面变形均能控制在合理范围以内，保证了地面桥梁和建筑物的稳定性。应该指出的是，砂卵石无水地层的注浆效果应考虑以下因素，地质水文、施工工法、施工参数控制、注浆材料及配比、布置注浆孔位、凝胶时间等。现场施工时需加强理论分析，同时提升现场监控和施工管理，严格把控施工中的各项主要参数，并依据现场实际情况适当调节。